СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №7/2015

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 78 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2015 Как упростить проектирование усилителей класса E с использованием синтеза Создание усилителя мощности класса E может быть сложной задачей. Новый способ проектирования, описываемый в статье, предлагает более простую и быструю альтернативу традиционному подходу. Мэтт Озалас, Keysight Technologies, Inc. В нашей повседневной жизни мы всё чаще сталкиваемся с усилителями мощности (УМ), которые уже исполь- зуются повсеместно: от беспроводных и широковещательных радиопередат- чиков до Hi-Fi аудиоаппаратуры. При- чина столь широкого использования их заключается в высокой эффектив- ности, обеспечиваемой самим схемо- техническим решением УМ класса E, особенно применительно к беспровод- ным коммуникационным устройствам. Но, к сожалению, имеется и ряд недо- статков. В частности, УМ класса E очень сложны в разработке, а их проектирова- ние связано с целым рядом сложностей, решение которых существенно увели- чивает срок разработки. Предлагаемый метод синтеза обещает сократить вре- мя и упростить сам процесс разработ- ки УМ класса E. Т ОПОЛОГИЯ УМ КЛАССА E: НЕМНОГО ТЕОРИИ Первоочередным требованием для начала проектирования УМ класса E является чёткое понимание принци- пов его работы. В отличие от привыч- ных нам УМ, класс E, для обеспечения надёжной работы которого следует Рис. 1. Типовая схема УМ класса E учитывать такой параметр, как скваж- ность, подразумевает использование выходного транзистора в роли ключа, коммутирующего подачу основной частоты (см. рис. 1). Последователь- ный LC-контур на выходе действует как короткозамкнутая цепь для основ- ной частоты и как разомкнутая цепь для гармоник. В результате в цепи протека- ет синусоидальный ток одной частоты. Когда ключ замкнут, через него про- текает ток I SW , равный сумме постоян- ного I DC от источника напряжения V DC и переменного, проходящего через LC-контур. Когда ключ разомкнут, пере- менный ток протекает через конденса- тор С1, при этом напряжение представ- ляется как интеграл протекающего тока (см. рис. 1). Если усилитель спроектирован пра- вильно, то представленная ключевая схема теоретически может иметь КПД равный 100%. Но при этом существует проблема, заключающаяся в том, что амплитуда тока и напряжения может во много раз превышать номинал источ- ника питания (см. рис. 2). Например, если ключ переключается в средней точке (скважность 50%), то пиковые значения тока и напряжения в несколь- ко раз превышают ток и напряжение источника питания, что в свою оче- редь может привести к превышению предельных параметров транзистора, и, вследствие этого, к его отказу. Разработчики стараются избе- гать описанной ситуации. Поэтому для успешной реализации УМ клас- са Е следует рассчитывать амплитуду тока и напряжения при всех возмож- ных режимах работы. Но сделать это не так просто. Уравнения, описываю- щие работу УМ класса Е и учитываю- щие зависимость от скважности, полу- чаются громоздкими, а это значит, что их решение представляется в графиче- ском формате или в виде аппроксима- ции через полином. Часто разработ- чики вынуждены вручную интерпо- лировать нормализованные значения из полученных графиков, а это может отрицательно сказаться на точности и времени проектирования. Т РАДИЦИОННЫЙ ПОДХОД : МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ УМ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ НАГРУЗКИ В большей своей массе УМ проек- тируются с применением простого подбора параметров в зависимости от импеданса нагрузки. Суть методи- ки проста и заключается в изменении импеданса нагрузки в некоторых пре- делах, построении соответствующих кривых мощности и КПД и фиксиро- вании на их основе значения нагруз- Рис. 2. Амплитуда тока и напряжения при ключевом режиме работы транзистора в схеме УМ класса Е © СТА-ПРЕСС